Диффузионный барьер

Диффузионный барьер представляет собой тонкий слой (обычно толщиной в несколько микрометров) металла, обычно расположенный между двумя другими металлами. Это делается для того, чтобы действовать как барьер, защищающий один из металлов от разрушения другого.

Адгезия металлического слоя к подложке требует физического взаимодействия, взаимной диффузии покрытия или химической связи для работы между пластиной и подложкой. Роль диффузионного барьера заключается в предотвращении или замедлении взаимной диффузии двух наложенных друг на друга металлов. Следовательно, чтобы быть эффективным, хороший диффузионный барьер должен быть инертным по отношению к соседним материалам. Чтобы одновременно получить хорошую адгезию и диффузионный барьер, связь между слоями должна происходить за счет химической реакции ограниченного диапазона на обеих границах. Материалы, обеспечивающие хорошую адгезию, не обязательно являются хорошими барьерами для диффузии, и наоборот. Следовательно, бывают случаи, когда необходимо использовать два или более отдельных слоев, чтобы обеспечить надлежащий интерфейс между подложками.

Выбор

Хотя выбор диффузионного барьера зависит от конечной функции, ожидаемая рабочая температура и срок службы являются критическими параметрами для выбора материалов диффузионного барьера. Многие комбинации тонкопленочных металлов были оценены на предмет их адгезионных и диффузионных барьерных свойств.

Алюминий обеспечивает хорошую электро- и теплопроводность , адгезию и надежность благодаря своей реакционной способности к кислороду и свойствам самопассивации его оксида.

Медь также легко реагирует с кислородом, но ее оксиды обладают плохими адгезионными свойствами. Что касается золота, его достоинство заключается в его инертности и простоте применения; его проблема в его стоимости.

Хром обладает отличной адгезией ко многим материалам благодаря своей реакционной способности. Его сродство к кислороду образует на внешней поверхности тонкий стабильный оксидный слой, создающий пассивирующий слой , который предотвращает дальнейшее окисление хрома и основного металла (если таковой имеется) даже в агрессивных средах. Хромирование стали, используемой в автомобилях, включает в себя три слоя диффузионного барьера — медь, никель и хром — для обеспечения долговечности в условиях сильных перепадов температур. Если хром наносится непосредственно на сталь, то их разные коэффициенты теплового расширения приведут к отслаиванию хромированного покрытия от стали.

Никель , нихром , тантал , гафний , ниобий , цирконий , ванадий и вольфрам — это лишь некоторые из комбинаций металлов, используемых для формирования диффузионных барьеров для конкретных применений. проводящую керамику Также можно использовать , такую ​​как нитрид тантала , оксид индия , силицид меди , нитрид вольфрама и нитрид титана .

Интегральные схемы

Барьерный металл — это материал, используемый в интегральных схемах для химической изоляции полупроводников от межсоединений из мягких металлов, сохраняя при этом электрическое соединение между ними. Например, слой барьерного металла должен окружать каждое медное соединение в современных интегральных схемах, чтобы предотвратить диффузию меди в окружающие материалы.

Как следует из названия, барьерный металл должен иметь высокую электропроводность , чтобы поддерживать хороший электронный контакт, сохраняя при этом достаточно низкий коэффициент диффузии меди, чтобы достаточно химически изолировать эти медные проводящие пленки от кремния, лежащего в основе устройства. Толщина барьерных пленок также весьма важна; при слишком тонком барьерном слое внутренняя медь может контактировать и отравлять те самые устройства, которые они снабжают энергией и информацией; из-за слишком толстого барьерного слоя эти обернутые стопки из двух барьерных металлических пленок и внутреннего медного проводника могут иметь большее общее сопротивление, чем традиционные алюминиевые межсоединения, что исключает любые преимущества, полученные от новой технологии металлизации.

Некоторые материалы, которые использовались в качестве барьерных металлов, включают кобальт , рутений , тантал , нитрид тантала , оксид индия , нитрид вольфрама и нитрид титана (последние четыре представляют собой проводящую керамику , но в данном контексте «металлы»).